Лабораторная работа №5 «Триодный тиристор»

5.1 Цель работы

Ознакомление с принципом действия и свойствами триодных тиристоров.

5.2 Теоретическое введение

Тиристор (переключающий диод) - это полупроводниковый прибор, представляющий собой структуру с чередующимися р- и п- слоями (т.е. прибор, имеющий три и более р-п перехода).

Структурная схема тринистора приведена на (рис. 1а).

а) б)

Рис. 1

При подаче на тиристор прямого напряжения, он может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. Закрытое состояние тиристора соответствует участку 1ВАХ, открытое - участку 3ВАХ (рис. 4). В закрытом состоянии к тиристору может быть приложено напряжение Vа<Vвкл или Vа=Vвкл, а ток при этом будет мал, т.к. данное состояние тиристора, включенного последовательно с нагрузкой, можно представить в виде эквивалентной схемы с разомкнутым ключом (рис. 2а). В открытом состоянии через тиристор может проходить значительный ток, ограничиваемый только сопротивлением нагрузки (и конструкцией тиристора) при незначительном падении напряжения на приборе. Это состояние можно представить в виде схемы с замкнутым ключом (рис. 2б).

а) б)

Рис. 2

Если к р-п-р структуре приложить обратное напряжение (к аноду - минус, к катоду - плюс), то центральный переход П2 будет смещен в прямом направлении, а крайние переходы П1 и П3 - в обратном. ВАХ тиристора при обратном включении аналогична обратной характеристике полупроводникового выпрямительного диода (участок 4).

В открыто состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока через его структуру, будет поддерживаться избыточный заряд в обеих базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Если же ток через тиристор уменьшится до некоторого значения, меньшего тока выключения Iвыкл (другое название - удерживающий ток Iуд (см. рис. 6)), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение напряжений на р-п переходах тиристора, уменьшится инжекция носителей из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние. Поэтому одним из важнейших параметров тиристоров является ток выключения Iвыкл - минимальный ток, для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Тринистор включается в цепь последовательно с нагрузкой (рис 3). Подавая на управляющий электрод (УЭ) небольшое положительное напряжение (величиной единицы вольт для маломощных тиристоров) относительно катода прибора, можно резко уменьшить напряжение включения тиристора, вследствие чего тиристор открывается и переходит в проводящие состояние при напряжении анод - катод Va меньшем, чем напряжение Vвкл.

Рис. 3

Напряжение поданное на УЭ (рис. 3) называют напряжением управления. При замыкании ключа SA1 по цепи + Vynp - база Р2 - переход ПЗ - эмиттер n2 - общий провод, протекает ток управления Iу. Выше был рассмотрен механизм перехода тиристора из закрытого состояния в открытое состояние. Как было выше сказано, увеличение тока через один эмиттерный переход структуры (в данном случае это переход ПЗ) приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход (П1). От протекающего через тиристор тока будет зависеть и величина обратного напряжения на коллекторном переходе П2. С увеличением тока управления возрастает и ток, протекающий через тиристорную структуру Ia, обратное напряжение на коллекторном переходе уменьшается и тиристор открывается при напряжении анод - катод гораздо меньшем, чем Vвкл . BAX тринистора приведена на рис.4.

Рис. 4

Тринистор имеет целое семейство характеристик. Одна характеристика отличается от другой значением тока управления Iу, протекающий через направляющий электрод. При Iу=0 (ветвь а) характеристика тринистора аналогична характеристике динистора. Следует сразу же сказать, что тринистор можно переводить в открытое состояние при подаче прямого внешнего напряжения на прибор выше величины Vвкл. Такой способ отпирания тиристоров называется включением по аноду. При увеличении тока управления Iу напряжение включения прибора уменьшается (см. ветвь b и с, рис. 4). Так при Iу2 > Iу1, Vвкл1 >Vвкл2 (рис.4). При некотором значении силы тока управления участок 2 отрицательного сопротивления на BAX тиристора и характеристика тиристора становится похожей на BAX обычного диода. При поле Iу >= Iy.cnp коллекторный переход П2 тиристорной структуры всегда оказывается в насыщении. После отпирания током управляющего электрода тиристор теряет свои управляющие свойства и вновь его можно запереть. Такие тиристоры называются незапираемыми.

В большинстве случаев применение тиристора в устройствах промышленной электроники включение тринистора осуществляется током управляющего электрода. Достоинством этого метода является то, что ток управления тиристором гораздо меньше по величине, чем проходящий по тиристору прямой ток, т.е. затрачивая небольшую мощность в цепи управления с помощью тиристора можно переключать значительно большие мощности. Например, для включения тиристора, рассчитанного на номинальный ток 10А, достаточно иметь ток управляющего электрода (отпирающий ток) 25мА, для тиристора на 300А - ток управления 300мА. На практике выбирают такой ток управляющего электрода при котором BAX тиристора спрямляется. Очень важным свойством тиристора является то, что когда тиристор переходит из закрытого в открытое состояние, ток управляющего электрода можно прекратить - тиристор всё равно останется в открытом состоянии. Это позволяет отпирать тиристоры не только постоянным током управления, но и импульсами тока.

В рассмотренном тиристоре (рис.1а), управляющий электрод выведен от слоя с дырочной проводимостью (р - базой) и управление осуществляется *втекающим* током. Такой тиристор называют триодным незапираемым тиристором с управлением по катоду. Условное обозначение такого тиристора приведено на (рис.1б). Существуют тиристоры, у которых управляющий электрод выведен от n - слоя. Такие тринисторы управляются *вытекающим током*. Поскольку управляющий переход здесь примыкает к области анода - такой тиристор называют триодным незапираемым тиристором с управлением по аноду (рис.5а). Графическое обозначение такого тиристора изображено на (рис. 5б).

а) б)

Рис. 5

К основным параметрам тринистора можно отнести:

• максимально допускаемый постоянный ток Iоткр.мах. в открытом состоянии тринистора ;

• напряжение в открытом состоянии тиристора Vоткр. (или Vост на ВАХ ,рис.4) при определённом токе (например Iоткр.мах);

• максимально допустимое обратное напряжение тиристора Vобр.мах. (рис.4) , длительно выдерживаемое тиристором , включённом в обратном направлении;

• максимально допустимое постоянное прямое напряжение Vпр.закр.мах., при котором тиристор находится в закрытом состоянии при определённом режиме в цепи управляющего электрода;

• ток включения Iвкл - основной ток в точке включения тиристора (т. А на ВАХ ,рис.4);

• удерживающий ток тиристора Iуд (Iвкл), минимальный основной ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Цепь управления тиристором характеризуется постоянным (импульсным) управляющим током Iу.отп (Iу.отп.импл.) управляющего электрода тиристора, представляющим собой минимальное значение постоянного (импульсного) тока, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенных режимах в цепях основных и управляющего электрода, а также соответствующие этому току постоянное (импульсное) отпирающее напряжение Vy.отп. (Vу.отп.имп.);

tвкл - отрезок времени в течении которого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое ;

tвыкл - отрезок времени в течении которого тиристор переходит из открытого в закрытое состояние (т.е. восстанавливает свои запирающие свойства)

Тринисторы имеют обширную область применения в промышленной электронике. Они применяются в цепях управления, коммутации регулирующих устройствах, в преобразователях частоты и т.д. Промышленность выпускает тиристоры с рабочим напряжением от десятков вольт до единиц кВ с величиной прямого тока от десятков миллиампер до сотен ампер.